Arquitetura e implementação aberta de um sintetizador subtrativo e aditivo para platafroma de baixo custo

Abstract

Existem inúmeras técnicas de síntese de áudio utilizadas atualmente em instrumentos musicais profissionais, dentre as quais as mais fundamentais são a síntese aditiva e a síntese subtrativa. A síntese subtrativa se tornou popular e foi muito explorada entre as décadas de 60 e 70 com a criação de módulos analógicos de hardware que podiam ser interconectados, criando o conceito de sintetizador analógico modular. Apesar do uso deste tipo de sintetizador ter diminuído durante as décadas subsequentes, nos últimos anos sua utilização voltou a crescer e diversos modelos deste tipo de instrumento são vendidos atualmente, porém em geral a preços elevados. Sintetizadores digitais também disponibilizam a técnica de síntese subtrativa utilizando componentes eletrônicos customizados e desenvolvidos pelos fabricantes de sintetizadores com o intuito de utilizar avançadas técnicas de processamento de sinais, o que ainda mantém seus preços elevados. Neste trabalho investigamos a hipótese de que é possível desenvolver um instrumento musical funcional e de qualidade com recursos limitados de processamento, e exploramos essa hipótese implementando síntese subtrativa em uma plataforma acessível e de baixo custo. O desenvolvimento é baseado em linguagem orientada a objetos para criação de módulos de software replicando as características dos módulos encontrados em sintetizadores analógicos modulares. Com esta abordagem, obtemos um software modular que pode ser facilmente modificado baseado nas preferências do programador. A implementação foi testada na plataforma Arduino Due, que é uma plataforma de baixo custo e contém um processador 32-bits ARM 84 MHz. Foi possível adicionar osciladores com algoritmo anti-aliasing, filtros, geradores de envelope, módulo de efeito, uma interface MIDI e um teclado externo, obtendo assim um sintetizador subtrativo completo. Além disto, incluímos no desenvolvimento a implementação de um órgão baseado em síntese aditiva, com polifonia completa e inspirado na arquitetura de órgãos clássicos, mostrando a possibilidade de possuir dois importantes e poderosos métodos de síntese em uma plataforma acessível e de baixo custo. Com esta implementação aberta e pública, buscamos contribuir com o movimento maker e faça-você-mesmo, incentivando novos desenvolvimentos nesta área, em especial na computação e engenharia, aumentando o uso e acesso a instrumentos musicais eletrônicos e a criatividade musical.

Subtractive and additive synthesis are two powerful sound synthesis techniques that caused a revolution when the first electronic and electro mechanic music instruments started to appear some decades ago. Subtractive synthesis became very popular during the 60s and 70s after the creation of analog hardware modules that could be interconnected, creating the concept of the modular synthesizers. After the initial impact, for some years these instruments faced a slow-down in its usage, a tendency that was reverted on the past decade. Nevertheless, the prices of these instruments are often high. Digital synthesizers also offer the subtractive synthesis technique, by using customized electronic components designed and developed by the synthesizers vendors in order to use the most up-to-date technologies and signal processing techniques, which also leads to high prices. In this project, we investigate the hypothesis that it is possible to design and develop a good quality music instrument with low budget electronic components and limited processing capabilities, by implementing this on a low budget and easy to use platform. The development is based on object oriented design, creating software modules that replicates the functionalities of analog synthesizer hardware modules. With this approach, we have a modular software that can be easily changed based on programmers’ preferences. The implementation was tested on the Arduino Due board, which is a cheap, easy to use and widely available platform and powered by a 32-bits ARM 84Mhz processor. We were able to add oscillators with anti-aliasing algorithms, filters, envelope generators, delay effects, a MIDI interface and a keybed, making a complete synthesizer. In addition to this, we included an additive synthesis organ design with full polyphony based on classic organs design, demonstrating the possibility of having two powerful synthesis methods on a cheap and widely available platform. With this design, suitable for low cost platforms, we intend to contribute to the maker movement and encourage new implementations in this area, especially in the computing and engineering fields, increasing the usage and access to (electronic) musical instruments and musical creativity.